Representação do antiferromagneto CoF 2 transformando-se em um ferriímã sob excitação óptica. As setas vermelha e azul indicam os spins antiparalelos originais. Os pulsos de luz Terahertz induzem mudanças na estrutura do cristal que polarizam os spins, criando um novo estado magnético que pode ser usado para armazenamento e processamento de informações. Crédito:Jörg Harms / MPSD
Os materiais magnéticos têm sido um pilar da tecnologia de computação devido à sua capacidade de armazenar permanentemente informações em seu estado magnético. As tecnologias atuais são baseadas em ferromagnetos, cujos estados podem ser facilmente invertidos por campos magnéticos. Mais rápido, mais denso, e dispositivos de próxima geração mais robustos seriam possíveis usando uma classe diferente de materiais, conhecidos como antiferromagnetos. Seu estado magnético, Contudo, é notoriamente difícil de controlar.
Agora, uma equipe de pesquisa do MPSD e da Universidade de Oxford conseguiu conduzir um antiferroímã prototípico a um novo estado magnético usando luz de frequência terahertz. Seu método inovador produziu um efeito ordens de magnitude maior do que o alcançado anteriormente, e em escalas de tempo ultrarrápidas. O trabalho da equipe acaba de ser publicado em Física da Natureza .
A força e a direção do 'pólo norte' de um ímã são denotadas por sua chamada magnetização. Em ferromagnetos, esta magnetização facilmente reversível pode representar um 'bit' de informação, o que os tornou os materiais de escolha para tecnologias baseadas em ímã. Mas os ferromagnetos são lentos para operar e reagir a campos magnéticos dispersos, o que significa que estão sujeitos a erros e não podem ser embalados muito próximos.
Os antiferromagnetos representam uma alternativa interessante. Ao contrário dos ferromagnetos, eles não têm magnetização macroscópica, como eles são compostos de momentos magnéticos alternados apontando para cima e para baixo, 'como barras magnéticas de tamanho atômico que mudam de direção de um átomo para o próximo. Eles não são fortemente afetados por campos magnéticos, o que os torna robustos para armazenamento de informações e permite que sejam redimensionados para tamanhos muito menores. Além disso, eles poderiam responder mais rápido do que os dispositivos atuais, com frequências de até vários terahertz. O desafio para os pesquisadores é encontrar maneiras de alterar de forma confiável o estado magnético de um antiferroímã.
Em seu novo jornal, a equipe de pesquisa do MPSD / Oxford seguiu uma nova abordagem, investigando como o estado magnético de um antiferroímã é afetado por sua estrutura cristalina. Eles exploraram uma propriedade de alguns antiferromagnetos chamada piezomagnetismo, onde uma mudança na estrutura atômica leva a uma magnetização, exatamente como em um ferromagneto. Essa mudança geralmente é obtida pela aplicação de uma pressão uniaxial - mas esse é um processo lento que pode quebrar o cristal.
Em vez de pressão, a equipe usou luz para controlar o efeito piezomagnético em CoF 2 . O método, originário do grupo em Hamburgo em 2011, é baseado em vibrações de rede emocionantes, ou "fônons, "com pulsos de luz cuidadosamente ajustados. Ao ajustar a frequência e a polarização dos pulsos de luz, eles poderiam induzir as mesmas distorções estruturais que dão origem ao piezomagnetismo sem ter que esticar o cristal - uma ideia experimental proposta pelo co-autor Paolo Radaelli, da Universidade de Oxford, durante uma visita ao MPSD em 2018.
Essa técnica inovadora permitiu aos pesquisadores criar uma magnetização 400 vezes maior do que a alcançada anteriormente. Surpreendentemente, levou apenas cerca de 100 ps para que a magnetização se desenvolvesse e a direção da magnetização poderia ser revertida mudando a polarização da luz. Os resultados representam um grande avanço no controle óptico das propriedades dos materiais.
O autor principal Ankit Disa diz:"Este experimento foi a primeira demonstração de engenharia 'racional' ou 'intencional' de uma estrutura de cristal com luz. Sabíamos que tipo de distorção estrutural era necessária para criar uma transição de fase de um antiferromagneto para um ferromagneto -como estado. O truque era entender como usar a luz para conduzir o material para esta nova estrutura de cristal. "
Andrea Cavalleri, que liderou a equipe experimental no MPSD e está envolvido com o cluster de excelência CUI:Advanced Imaging of Matter, vê um vasto potencial no uso da luz para controlar as propriedades dos materiais:"Esta técnica pode levar a interruptores optomagnéticos, por exemplo, para fazer memórias que pudessem ser escritas e lidas à luz. Mais fundamentalmente, agora temos as ferramentas e o conhecimento para projetar opticamente a estrutura dos materiais na escala atômica, que pode ser aplicado para manipular funcionalidades em muitos tipos de sistemas, de ímãs a ferroelétricos e supercondutores. "
